[发明专利]一种表面功能化碳材料及其制备方法以及应用

说明书

本发明提供了一种表面功能化碳材料的制备方法，本发明中有机碳源在高温区域快速裂解，然后在低温区域进行沉积收集，得到表面氢含量较高的裂解碳，经过弱氧化处理即可得到氧质量百分比为10％～40％的表面氧功能化碳材料。本发明提供的制备方法简单易行，绿色环保，制备的表面功能化碳材料可运用于锂离子电池和锂离子电容器负极材料，由本发明的功能化碳材料作为负极材料制得的锂离子电池，可逆容量高，倍率性能和循环稳定性优异，制得的锂离子电容器能量密度和功率密度高，循环容量保持率较高。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种表面功能化碳材料及其制备方法以及应用。

背景技术

碳材料在储能领域有着广泛应用，例如石墨、中间相碳微球和硬碳可作为锂离子电池负极材料，活性炭和硬碳可作为锂离子电池电容器的电极材料。随着应用产品对能量密度和功率密度的要求不断提高，碳材料的改性研究越来越重要。

目前硬碳的制备主要是利用生物质碳材料或者有机高分子材料在惰性气氛下经过1000-1600℃高温煅烧得到，高温裂解硬碳材料作为锂离子电池负极材料可逆容量较低，倍率性能较差。当前大量科技文献报道异质原子氮、磷、硼、氟、硫和氧掺杂或者表面修饰可以有效提高碳材料的碱金属离子赝电容行为，从而提高材料的能量密度和功率密度。其中化学氧化法是氧功能化碳材料中使用最广泛，发展最成熟的功能化方法，在碳材料的基础研究与应用中发挥非常重要的作用。

目前广泛采用的化学氧化法违背了绿色化学的基本原则，存在严重的环境污染问题：(1)所使用的氧化剂(如KMnO₄，HNO₃)转化为毒性重金属离子(如Mn²⁺)或产生有毒有害气体(如N_xO_y)；(2)以大量的浓硫酸为反应介质，产生大量酸性废液，并给实验操作带来安全隐患。广大研究者普遍采用以KMnO₄和HNO₃为氧化剂，以硫酸为反应介质的液相氧化，而且这些氧化方法已被我国的中科时代纳米(KMnO₄/H₂SO₄)，国外的US Research Nanomaterials(KMnO₄/H₂SO₄)、Nanolab(HNO₃/H₂SO₄)和Carbon Solutions(HNO₃)等公司用于工业化生产。中国专利CN106276857A通过改进，采用绿色无害的氧化剂高铁酸钾，在机械力作用下对碳材料进行氧化。综上所述，当前通常采用强氧化剂氧化碳材料制备氧功能化碳材料，存在环境污染，且得到的氧功能化碳材料运用于锂离子电池可以有效提高材料的可逆容量，但循环稳定性较差[Journalof power sources 2010,195,7452-7456]。

因而，如何采用简易、环境友好方法大规模制备具有优异储锂性能的氧功能化碳材料依然是亟待解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种表面功能化碳材料及其制备方法以及应用，本发明提供的表面功能化碳材料的制备方法简单，环境友好，并且制得的氧功能化碳材料作为锂离子电池负极材料具有较高的比容量，较好的倍率性能和较好的循环稳定性。同时，作为锂离子电容器负极材料，具有良好的循环稳定性。

本发明提供了一种表面功能化碳材料，包括：碳基体以及在所述碳基体表面修饰的含氧功能化基团，所述表面功能化碳材料中氧的质量百分比为10％～40％。

优选的，所述碳基体的粒径为20nm～2μm；所述含氧功能化基团在所述碳基体表面修饰的厚度为10nm～1μm。

优选的，所述含氧功能化基团选自或中的一种或多种。

本发明还提供了一种上述表面功能化碳材料的制备方法，包括以下步骤：